黑客 | 如何设计一个秒杀系统

Posted 2021-05-02 手机电脑双黑客

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了黑客 | 如何设计一个秒杀系统相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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系统要求

高性能

秒杀涉及大量的并发读和并发写，因此要求性能必须高；

一致性

秒杀中商品减库存的实现方式同样关键。可想而知，有限数量的商品同一时刻被很多倍的请求同时来减库存。在大并发更新数据的过程中保证数据的准确性，难度可想而知；

高可用

出现问题的时候要保证可用；

架构原则

1. 数据要尽量少

所谓“数据要尽量少”，就是指用户请求的数据能少则少。请求的数据包括上传给系统的数据和系统返回给用户的数据（通常就是网页）。

因为这些数据在网络上传输需要时间，其次不管是请求数据还是返回数据都需要服务器来处理，而服务器在写网络时都要做压缩和编码，这些都非常消耗CPU，所以减少传输的数据量可以显著的减少CPU的使用。例如，我们可以简化秒杀页面的大小，去掉不必要的页面装修效果等。

其次，“数据要尽量少”还要求系统依赖的数据能少就少，包括系统完成某些业务逻辑需要读取和保存的数据，这些数据一般是和后台服务和数据库打交道的。调用其他服务会涉及到数据的序列化和反序列化，这也是CPU的一大杀手，同样也会增加延时。而且，数据库本身也容易成为一个瓶颈，所以和数据库打交道越少越好，越简单越好。

2. 请求数要尽量少

用户请求的页面返回后，浏览器渲染页面还包含其他的额外请求，比如说这个页面依赖的CSS/javascript，图片以及Ajax请求等，这些额外请求应该尽量少。因为浏览器每发出一个请求都多少会有一些消耗，例如建立连接要做三次握手，另外不同请求访问的域名不一样，还需要做DNS域名解析，可能会耗时更久。

3. 路径要尽量短

所谓“路径”，就是用户发出请求到返回数据这个过程中，需求经过的中间的节点数。

4. 依赖要尽量少

所谓依赖，指的是要完成一次用户请求必须依赖的系统或者服务，这里的依赖指的是强依赖。

5. 不要有单点

系统中的单点可以说是系统架构上的一个大忌，因为单点意味着没有备份，风险不可控，我们设计分布式系统最重要的原则就是“消除单点”。

做好动静分离

何为动静数据

简单来说，“静态数据”和“动态数据”的主要区别就是看页面中输出的数据是否和URL、浏览器、时间、地域相关，以及是否含有Cookie等私密信息。

如何做动静分离的改造

下面我们从5个方面来分离出动态内容：

1. URL唯一化。商品详情系统天然地就可以做到 URL 唯一化，比如每个商品都由 ID 来标识，那么 http://item.xxx.com/item.htm?id=xxxx 就可以作为唯一的 URL 标识。为啥要 URL 唯一呢？前面说了我们是要缓存整个 HTTP 连接，那么以什么作为 Key 呢？就以 URL 作为缓存的 Key，例如以 id=xxx 这个格式进行区分。

2. 分离浏览者相关的因素。浏览者相关的因素包括是否已登录，以及登录身份等，这些因素可以单独拆分出来，通过动态请求来获取。

3. 分离时间因素。服务器输出的时间也要动态请求来获取。

4. 异步化地域因素。详情页上与地域相关的因素做成异步获取。

5. 服务端输出的页面包含的 Cookie 可以通过代码软件来删除，如 Web 服务器 Varnish 可以通过 unset req.http.cookie 命令去掉 Cookie。注意，这里说的去掉 Cookie 并不是用户端收到的页面就不含 Cookie 了，而是说，在缓存的静态数据中不含有 Cookie。

静态数据如何缓存

第一，你应该把静态数据缓存到离用户最近的地方。静态数据就是那些相对不会变化的数据，因此我们可以把它们缓存起来。缓存到哪里呢？常见的就三种，用户浏览器里、CDN 上或者在服务端的 Cache 中。你应该根据情况，把它们尽量缓存到离用户最近的地方。

第二，静态化改造就是要直接缓存 HTTP 连接。相较于普通的数据缓存而言，你肯定还听过系统的静态化改造。静态化改造是直接缓存 HTTP 连接而不是仅仅缓存数据，如下图所示，Web 代理服务器根据请求 URL，直接取出对应的 HTTP 响应头和响应体然后直接返回，这个响应过程简单得连 HTTP 协议都不用重新组装，甚至连 HTTP 请求头也不需要解析。

动态数据如何处理

1. ESI 方案（或者 SSI）：即在 Web 代理服务器上做动态内容请求，并将请求插入到静态页面中，当用户拿到页面时已经是一个完整的页面了。这种方式对服务端性能有些影响，但是用户体验较好。

2. CSI 方案。即单独发起一个异步 JavaScript 请求，以向服务端获取动态内容。这种方式服务端性能更佳，但是用户端页面可能会延时，体验稍差。

动静分离的几种架构方案

1. 实体机单机部署

2. 统一Cache层

3. 上CDN

如何处理热点数据

处理热点数据的通常几个思路：一是优化，二是限制，三是隔离。

先来说说优化。优化热点数据最有效的办法就是缓存热点数据，如果热点数据做了动静分离，那么可以长期缓存静态数据。但是，缓存热点数据更多的是“临时”缓存，即不管是静态数据还是动态数据，都用一个队列短暂地缓存数秒钟，由于队列长度有限，可以采用 LRU 淘汰算法替换。

再来说说限制。限制更多的是一种保护机制，限制的办法也有很多，例如对被访问商品的 ID 做一致性 Hash，然后根据 Hash 做分桶，每个分桶设置一个处理队列，这样可以把热点商品限制在一个请求队列里，防止因某些热点商品占用太多的服务器资源，而使其他请求始终得不到服务器的处理资源。

最后介绍一下隔离。秒杀系统设计的第一个原则就是将这种热点数据隔离出来，不要让 1% 的请求影响到另外的 99%，隔离出来后也更方便对这 1% 的请求做针对性的优化。

具体到“秒杀”业务，我们可以在以下几个层次实现隔离。

业务隔离。把秒杀做成一种营销活动，卖家要参加秒杀这种营销活动需要单独报名，从技术上来说，卖家报名后对我们来说就有了已知热点，因此可以提前做好预热。
系统隔离。系统隔离更多的是运行时的隔离，可以通过分组部署的方式和另外 99% 分开。秒杀可以申请单独的域名，目的也是让请求落到不同的集群中。
数据隔离。秒杀所调用的数据大部分都是热点数据，比如会启用单独的 Cache 集群或者 mysql 数据库来放热点数据，目的也是不想 0.01% 的数据有机会影响 99.99% 数据。

当然了，实现隔离有很多种办法。比如，你可以按照用户来区分，给不同的用户分配不同的 Cookie，在接入层，路由到不同的服务接口中；再比如，你还可以在接入层针对 URL 中的不同 Path 来设置限流策略。服务层调用不同的服务接口，以及数据层通过给数据打标来区分等等这些措施，其目的都是把已经识别出来的热点请求和普通的请求区分开。

流量削峰该怎么做

常用的一些思路：排队，答题，分层过滤。

排队

要对流量进行削峰，最容易想到的解决方案就是用消息队列来缓冲瞬时流量，把同步的直接调用转换成异步的间接推送，中间通过一个队列在一端承接瞬时的流量洪峰，在另一端平滑地将消息推送出去。在这里，消息队列就像“水库”一样，拦蓄上游的洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，从而达到减免洪水灾害的目的。

答题

答题的目的有两个：

1. 防止用户作弊；

2. 延缓用户请求；

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分层过滤

分层校验的目的是：在读系统中，尽量减少由于一致性校验带来的系统瓶颈，但是尽量将不影响性能的检查条件提前，如用户是否具有秒杀资格、商品状态是否正常、用户答题是否正确、秒杀是否已经结束、是否非法请求、营销等价物是否充足等；在写数据系统中，主要对写的数据（如“库存”）做一致性检查，最后在数据库层保证数据的最终准确性（如“库存”不能减为负数）。

减库存的核心逻辑

减库存的几种方式

下单减库存，即当买家下单后，在商品的总库存中减去买家购买数量。下单减库存是最简单的减库存方式，也是控制最精确的一种，下单时直接通过数据库的事务机制控制商品库存，这样一定不会出现超卖的情况。但是你要知道，有些人下完单可能并不会付款。
付款减库存，即买家下单后，并不立即减库存，而是等到有用户付款后才真正减库存，否则库存一直保留给其他买家。但因为付款时才减库存，如果并发比较高，有可能出现买家下单后付不了款的情况，因为可能商品已经被其他人买走了。
预扣库存，这种方式相对复杂一些，买家下单后，库存为其保留一定的时间（如 10 分钟），超过这个时间，库存将会自动释放，释放后其他买家就可以继续购买。在买家付款前，系统会校验该订单的库存是否还有保留：如果没有保留，则再次尝试预扣；如果库存不足（也就是预扣失败）则不允许继续付款；如果预扣成功，则完成付款并实际地减去库存。

减库存可能存在的问题

假如我们采用“下单减库存”的方式，即用户下单后就减去库存，正常情况下，买家下单后付款的概率会很高，所以不会有太大问题。但是有一种场景例外，就是当卖家参加某个活动时，此时活动的有效时间是商品的黄金售卖时间，如果有竞争对手通过恶意下单的方式将该卖家的商品全部下单，让这款商品的库存减为零，那么这款商品就不能正常售卖了。要知道，这些恶意下单的人是不会真正付款的，这正是“下单减库存”方式的不足之处。

既然“下单减库存”可能导致恶意下单，从而影响卖家的商品销售，那么有没有办法解决呢？你可能会想，采用“付款减库存”的方式是不是就可以了？的确可以。但是，“付款减库存”又会导致另外一个问题：库存超卖。

假如有 100 件商品，就可能出现 300 人下单成功的情况，因为下单时不会减库存，所以也就可能出现下单成功数远远超过真正库存数的情况，这尤其会发生在做活动的热门商品上。这样一来，就会导致很多买家下单成功但是付不了款，买家的购物体验自然比较差。

那么，既然“下单减库存”和“付款减库存”都有缺点，我们能否把两者相结合，将两次操作进行前后关联起来，下单时先预扣，在规定时间内不付款再释放库存，即采用“预扣库存”这种方式呢？

这种方案确实可以在一定程度上缓解上面的问题。但是否就彻底解决了呢？其实没有！针对恶意下单这种情况，虽然把有效的付款时间设置为 10 分钟，但是恶意买家完全可以在 10 分钟后再次下单，或者采用一次下单很多件的方式把库存减完。针对这种情况，解决办法还是要结合安全和反作弊的措施来制止。

例如，给经常下单不付款的买家进行识别打标（可以在被打标的买家下单时不减库存）、给某些类目设置最大购买件数（例如，参加活动的商品一人最多只能买 3 件），以及对重复下单不付款的操作进行次数限制等。

针对“库存超卖”这种情况，在 10 分钟时间内下单的数量仍然有可能超过库存数量，遇到这种情况我们只能区别对待：对普通的商品下单数量超过库存数量的情况，可以通过补货来解决；但是有些卖家完全不允许库存为负数的情况，那只能在买家付款时提示库存不足。

大型秒杀中如何减库存

目前来看，业务系统中最常见的就是预扣库存方案，像你在买机票、买电影票时，下单后一般都有个“有效付款时间”，超过这个时间订单自动释放，这都是典型的预扣库存方案。而具体到秒杀这个场景，应该采用哪种方案比较好呢？

由于参加秒杀的商品，一般都是“抢到就是赚到”，所以成功下单后却不付款的情况比较少，再加上卖家对秒杀商品的库存有严格限制，所以秒杀商品采用“下单减库存”更加合理。另外，理论上由于“下单减库存”比“预扣库存”以及涉及第三方支付的“付款减库存”在逻辑上更为简单，所以性能上更占优势。

"下单减库存"在数据一致性上，主要就是保证大并发请求时库存数据不能为负数，也就是要保证数据库中的库存字段值不能为负数，一般我们有多种解决方案：一种是在应用程序中通过事务来判断，即保证减后库存不能为负数，否则就回滚；另一种办法是直接设置数据库的字段数据为无符号整数，这样减后库存字段值小于零时会直接执行 SQL 语句来报错；再有一种就是使用 CASE WHEN 判断语句，例如这样的 SQL 语句：

UPDATE item SET inventory = CASE WHEN inventory >= xxx THEN inventory-xxx ELSE inventory END

秒杀减库存的极致优化

在交易环节中，“库存”是个关键数据，也是个热点数据，因为交易的各个环节中都可能涉及对库存的查询。但是，我在前面介绍分层过滤时提到过，秒杀中并不需要对库存有精确的一致性读，把库存数据放到缓存（Cache）中，可以大大提升读性能。

解决大并发读问题，可以采用 LocalCache（即在秒杀系统的单机上缓存商品相关的数据）和对数据进行分层过滤的方式，但是像减库存这种大并发写无论如何还是避免不了，这也是秒杀场景下最为核心的一个技术难题。

因此，这里我想专门来说一下秒杀场景下减库存的极致优化思路，包括如何在缓存中减库存以及如何在数据库中减库存。

秒杀商品和普通商品的减库存还是有些差异的，例如商品数量比较少，交易时间段也比较短，因此这里有一个大胆的假设，即能否把秒杀商品减库存直接放到缓存系统中实现，也就是直接在缓存中减库存或者在一个带有持久化功能的缓存系统（如 Redis）中完成呢？

如果你的秒杀商品的减库存逻辑非常单一，比如没有复杂的 SKU 库存和总库存这种联动关系的话，我觉得完全可以。但是如果有比较复杂的减库存逻辑，或者需要使用事务，你还是必须在数据库中完成减库存。

由于 MySQL 存储数据的特点，同一数据在数据库里肯定是一行存储（MySQL），因此会有大量线程来竞争 InnoDB 行锁，而并发度越高时等待线程会越多，TPS（Transaction Per Second，即每秒处理的消息数）会下降，响应时间（RT）会上升，数据库的吞吐量就会严重受影响。

这就可能引发一个问题，就是单个热点商品会影响整个数据库的性能，导致 0.01% 的商品影响 99.99% 的商品的售卖，这是我们不愿意看到的情况。一个解决思路是遵循前面介绍的原则进行隔离，把热点商品放到单独的热点库中。但是这无疑会带来维护上的麻烦，比如要做热点数据的动态迁移以及单独的数据库等。

而分离热点商品到单独的数据库还是没有解决并发锁的问题，我们应该怎么办呢？要解决并发锁的问题，有两种办法：

应用层做排队。按照商品维度设置队列顺序执行，这样能减少同一台机器对数据库同一行记录进行操作的并发度，同时也能控制单个商品占用数据库连接的数量，防止热点商品占用太多的数据库连接。
数据库层做排队。应用层只能做到单机的排队，但是应用机器数本身很多，这种排队方式控制并发的能力仍然有限，所以如果能在数据库层做全局排队是最理想的。阿里的数据库团队开发了针对这种 MySQL 的 InnoDB 层上的补丁程序（patch），可以在数据库层上对单行记录做到并发排队。

另外，数据更新问题除了前面介绍的热点隔离和排队处理之外，还有些场景（如对商品的 lastmodifytime 字段的）更新会非常频繁，在某些场景下这些多条 SQL 是可以合并的，一定时间内只要执行最后一条 SQL 就行了，以便减少对数据库的更新操作。

如何文明上网，网警提示：

不在网上浏览不良信息。

网上有一些信息并不是很健康，那么，对于我们来说，一定要注意控制自己的欲望，不去浏览一些负面新闻，更不应该去浏览一些色情、暴力的网站，让自己自觉抵制不良内容。

不在网上侮辱他人。

我们利用网络，并不是只能浏览相关的网站和知识，还可以通过网络与外界建立一种练习，所以，我们在跟别人沟通的时候，一定要使用文明用语，不要在网上侮辱别人。

要增强自我保护意识。

我们在网上与人交往，不要随意与网友见面，更不要将自己的信息泄露给网友，因为网友有很大的隐蔽性，我们不能够准确识别他的真实身份和用意，以免发生上当受骗。

不参与网络敏感话题。

如果网络上对于某些敏感话题提出了讨论，我们应该注意把握话题的严肃性和政治性，不要任何话题都参与讨论，对于一些敏感的或者反动的话题，要及时制止，不参与，不散播。

如何文明上网，网警提示：

不在网上浏览不良信息。